DE102008022637A1

DE102008022637A1 - Selbstaufladender mobiler Lachgasgenerator zur Leistungssteigerung von Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE102008022637A1
Application number: DE102008022637A
Authority: DE
Inventors: Phillip Reisenberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2009-11-26

Abstract

System zur Leistungssteigerung von Verbrennungskraftmaschinen, die durch eine Mischung aus Brennstoff und Sauerstoff angetrieben werden, durch die Zufuhr von sauerstoffangereicherter Luft, dadurch gekennzeichnet, dass die durch eine druckbetriebene Membran (2.) produzierte sauerstoffangereicherte Luft der Verbrennungskraftmaschine zusätzlich zu der Umgebungsluft zugeführt wird und/oder durch den Luftverteiler (V.2) an den Flüssiggaskompressor geleitet wird, welcher die sauerstoffangereicherte Luft ansaugt und in einen Tank (4.1) komprimiert.

Description

Zusammenfassung
Meine Erfindung bezieht sich auf die Leistungssteigerung von Verbrennungskraftmaschinen durch die Zufuhr von sauerstoffangereicherter Luft. Es ist hauptsächlich vorgesehen um in Kraftfahrzeugen betrieben zu werden. Kann jedoch auch bei anderen stehenden oder mobilen Verbrennungskraftmaschinen verwendet werden.
Die Luft wird unter Druck (1.A, 1.B) von einem Membranfiltermodul (2.) in einen Teil mit sauerstoffangereicherter Luft (Permeat) und in einen Teil mit stickstoffangereicherter Luft (Retentat) geteilt. Der Luftstrom mit der sauerstoffangereicherten Luft wird nun möglichst nah and der Brennkammer (6.) in den Ansaugttrakt (3.) der Brennkraftmaschine, zusätzlich zu der angesaugten Umgebungsluft, geleitet.
Anstatt der Verbrennungskraftmaschine die sauerstoffangereicherte Luft zuzuführen, kann diese auch vollständig oder teilweise von dem Flüssiggaskompressor (4., 4.1) angesaugt und verflüssigt/komprimiert werden um zu einem späteren Zeitpunkt benutzt zu werden.
Hintergrund und Zusammenfassung der Erfindung
Selbstaufladender mobiler Lachgasgenerator zur Leistungssteigerung von Verbrennungskraftmaschinen
Es geht also um die Leistungssteigerung von Verbrennungskraftmaschinen durch das Zuführen von mehr Sauerstoff in die Brennkammer.
Dieses Prinzip wird auch bei Turboladern und Kompressoren verwendet. Die Luft wird komprimiert und folglich kann mehr Luft und Sauerstoff in die Brennkammer gepresst werden. Das Benzingemisch kann effizienter verbrennen und über die Lambdasonde (misst den Sauerstoffgehalt in den Auspuffgasen) geregelt kann mehr Benzin eingespritzt werden um die Motorleistung zu steigern und ein zu mageres Laufen des Motors zu verhindern, was ein klopfen des Motors verursachen kann. Ein Klopfsensor und Temperatursensor helfen hier den Motor nicht zu stark zu belsaten.
Der Nachteil bei dieser Art der Sauerstoffzufuhr ist die bei der starken Kompression entstehende Wärme, was dazu führt, dass weniger Sauerstoff in die Brennkammer gelangt. Um diesen Effekt zu verringern wird ein Ladeluftkühler zwischen Motor und Lader gesetzt, der die Temperatur der komprimierten Luft auf Umgebungstemperatur herabkühlt. (kalte Luft hat bei gleichem Volumen mehr Sauerstoff) Zudem gibt es bei diesem System begrenzte Möglichkeiten der Leistungssteigerung. Einmal durch die Erwärmung der aufgeladenen Luft und dann noch durch die beweglichen Teile die eine begrenzte Drehzahl haben. An dieser Stelle ist auch das Turboloch zu erwähnen, was daraus resultiert, dass der Turbolader eine bestimmte minimale Drehzahl benötigt um optimal zu arbeiten. Bei zu hohen Drehzahlen wird ein zu hoher Druck erzeugt was einen Leistungsverlust verursacht.
Motoraufladung mit Lachgas/N2O wird hauptsächlich im Rennsport und bei Beschleunigungsrennen verwendet. Diese Technik wurde bereits im 2. Weltkrieg verwendet, um Flugzeugen z. B. bei einem Steilflug mehr Leistung zu Verfügung zu stellen, da Luft in großer Höhe einen niedrigeren Sauerstoffgehalt hat.
Lachgas besteht aus ca. 35% Sauerstoff und 65% Stickstoff und kann die Motorleistung kurzzeitig um mehr als 50% steigern. Das Gas wird also entweder in den Ansaugtrakt, direkt in die Brennkammern oder in Nozzles, die am Zuluftrohr kurz vor dem Motor sitzen, eingespritzt. Das einspritzen des flüssigen Gases kühlt die angesaugte Luft und den Motor runter, was sich positiv auf die thermische Belastung des Motors auswirkt. Zusätzlich wird im Rennsport der Motor mit einer Wassereinspritzung gekühlt. Dieses System kühlt nicht nur den Motor von innen, sondern kann bei einer Beimischung von Alkohol auch noch mehr Leistung bringen. Die Verwendung von Alkohol in dem Wassereinspritzsystem kann ebenfalls einem zu mager werdenden Gemisch entgegenwirken. Dies ist besonders zu empfehlen, wenn die Motorelektronik die Benzinzufuhr nicht automatisch über den Lambdawert angleicht. Der Nachteil dieser Technik ist, dass die Lachgasflaschen immer wieder nachgefüllt werden müssen. Dies bringt nicht nur einen hohen Zeitaufwand sondern auch einen hohen Kostenaufwand. Lachgas (technisches Lachgas) ist außerdem nicht überall ohne weiteres zu bekommen.
An dieser Stelle möchte ich eine kurze Einführung in die Membrantechnik geben.
Membranen kann man sich als Filter vorstellen, die im Bereich von ca. 0,001–100 Nanometer (Porengröße) Stoffe voneinander trennen können. Ähnlich wie ein Kaffeefilter das Kaffeepulver zurückhält, aber das Wasser durchlässt. Membranen werden zum Beispiel bei der Wasseraufbereitung (das Wasser passt durch die Poren, aber Verschmutzungen und Bakterien werden zurückgehalten) oder in der Industrie zur Stickstofferzeugung verwendet. Membranen gibt es in vielen verschiedenen Ausführungen. Zum Beispiel mit einer keramischen Trägerschicht, die dann mit einer dünnen Latexschicht überzogen wird (Komposit-Membran) oder mit einer Trägerschicht aus einem Polymer die dann ebenfalls mit Latex überzogen wird.
Bei ca. 5 bar und einer Selektivität von 2 zu 1 (O2 zu N2) wird im Permeat ein Sauerstoffanteil von ca. 34% erzielt. Es können jedoch auch Konzentrationen von über 50% erreicht werden. Zuletzt ist noch zu erwähnen, dass es viele verschiedene Membranmodule (Hohlfasermodul, Plattenmodul) gibt, die aber alle nach dem selben Prinzip arbeiten. Hohlfasermodule bieten sich hier besonders wegen der geringen Kosten an.
Anstelle von Membranen könnte man auch Keramiken verwenden, die mit dem Adsorptions-Verfahren arbeiten. Hierbei würde Das Modul durch die Abwärme des Motors und Auspuffrohres erhitzt und der beim Abkühlen produzierte Sauerstoff entweder in den Motor oder zum Flüssiggaskompressor geleitet.
Ich beabsichtige also nicht mehr Luft in die Brennkammern zu befördern, sondern den Sauerstoff von der Umgebungsluft mit Hilfe von Druck (1.A. ein Kompressor, der elektrisch oder mechanisch betrieben wird 1.B. Luftstromleitsystem, zum Erzeugen des minimalen Arbeitsdruckes der Membran) und einer Filtrationsmembran, die darauf ausgelegt ist, die größeren Sauerstoffteilchen von den kleineren Stickstoffteilchen zu trennen und dann dem Motor/Turbine zusätzlich zu der Umgebungsluft zuzuführen. Hierbei wird die Luft in eine sauerstoffangereicherte Fraktion (Permeat) und eine stickstoffangereicherte Fraktion (Retentat) aufgeteilt. Über das Ventilsystem/Luftverteiler wird der Permeat- und Retentatstrom gesteuert. Die beiden Gasströme können entweder direkt in den Ansaugtrakt geleitet werden (hierbei wird dem Motor hauptsächlich mehr Sauerstoff zugeführt) oder werden an den Tankkompressor (Flüssiggaskompressor) geleitet, der den Sauerstoff verflüssigt und zu einem späteren Zeitpunkt verfügbar macht.
Die kühlende Wirkung bei dem Einspritzen von Flüssiggas und der Vorteil, dass man den Sauerstoff speichern kann, macht den Flüssiggaskompressor unerlässlich.
Der benötigte Druck, um die Membran zu betreiben, wird also entweder von einem 1.A. Kompressor der elektrisch und mechanisch betreibbar ist erzeugt oder 1.B. von dem Luftstromleitsystem, welches mit Hilfe von elektrisch oder hydraulischen bewegten Klappen und einem Drucksensor den optimalen Druck zum betreiben der Membran erzeugt.
Bei einem Bremsvorgang werden, ähnlich wie bei einer Motorbremse, der Kompressor 1.A. und der Flüssiggaskompressor 4. über eine Kette oder einen Riemen, die mit dem Antriebsstrang verbunden ist, angetrieben. Um die Kompressoren optimal auszunutzen werden an dieser Stelle elektronisch verstellbare CVT-Getriebe genutzt, um die Drehzahl der Kompressoren angleichen zu können.
Ich stelle mir dieses System im Straßenverkehr also wie folgt vor:
Wenn man in der Stadt unterwegs ist, kann man den Kompressor 1.A. einschalten und die sauerstoffangereicherte Fraktion dem Motor zuführen. Zusätzlich kann Sauerstoff aus dem O^2 Tank genutzt werden um zum Beispiel an einer Ampel oder bei einem Überholmanöver eine höhere Motorleistung zur Verfügung zu haben.
Wenn man auf die Autobahn fährt oder generell mit höheren Geschwindigkeiten (Flugzeug) unterwegs ist, kann man das spezielle Luftstromleitsystem 1.B. aktivieren oder zusätzlich zu dem Kompressor 1.A. benutzen.
Das Luftstromleitsystem 1.B arbeitet mit elektrisch und/oder hydraulisch bewegten Klappen die horizontal und vertikal verlaufen und über den Drucksensor reguliert werden. Wenn zu wenig Druck erzeugt wird, werden die Klappen weiter geöffnet um den Minimaldruck zu erzeugen. Anderseits schließen die Klappen sich wenn der Drucksensor einen zu hohen Druck erzeugt auf den die Membran zum Beispiel nicht ausgelegt ist.
Bei einem Bremsvorgang werden die Kompressoren 1.A. und 4. mechanisch an einen Teil der Antriebsstrang/Getriebe gekoppelt, wobei ein elektronisch gesteuertes CVT-Getriebe die Kompressordrehzahl reguliert. Der Sauerstofftank lädt sich also bei einem Bremsvorgang selbst auf. Dieser gewonnene Sauerstoff kann beim Beschleunigen wieder genutzt werden.
Ich kann mir dieses System sowohl bei kleinen Stadtautos vorstellen, die für bestimmte Situationen zu wenig Leistung besitzten als auch im Rennsport. Man kann den Motor also klein halten um einen möglichst geringen Treibstoffverbrauch zu haben, hat aber trotzdem eine bestimmte Agilität die man ansonsten bei einem kleinen Motor vermissen würde.
Detaillierte Beschreibung
Der von dem Membranmodul benötigte Druck wird entweder durch den Kompressor 1.A. oder das Luftstromleitsystem 1.B. erzeugt. Der Kompressor kann ein konventioneller Schrauben- oder Kolbenkompressor sein, der elektrisch und/oder mechanisch angetrieben wird. Die Drehzahl des Kompressors wird über eine CVT-Getriebe (kann elektrisch gesteuert sein), das mit dem Antriebsstrang über eine Kette oder Riemen verbunden ist, geregelt.
Das Luftstromleitsystem besteht hauptsächlich aus einem sich verengendem Gehäuse, Klappen und einem Drucksensor der sich tief im inneren des Gehäuses befindet. Der Drucksensor misst also den Druck und gibt darin die entsprechenden Befehle an die elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch bewegten Klappen weiter. Wenn man also beschleunigt und ein überflüssig hoher Druck erzeugt wird, werden die Klappen automatisch geschlossen bis der Optimaldruck wieder hergestellt wurde. Anderseits werden die Klappen bei einem Bremsvorgang über den Drucksensor reguliert und weiter geöffnet, da ansonsten der von der Membran benötigte Druck nicht erreicht würde.
Man hat also 2 Druckerzeuger die sowohl parallel als auch einzeln betrieben werden können. Um einen Druckverlust zu verhindern, werden zwischen die Druckluftschläuche und dem Y-Verteiler (V.1) pneumatische Rückschlagventile angebracht. Diese bewirken, dass Druckluft nur in das Membranmodul (2.) geleitet werden kann und nicht umgekehrt. Man kann die Druckerzeuger also einzeln oder parallel ohne Druckverlust betreiben.
Die Druckluft fließt/strömt durch die Membran und wird in dem Membranmodul (2.) in eine sauerstoffangereicherte Fraktion (Permeat) und in eine stickstoffangereicherte Fraktion (Retentat) geteilt/getrennt. Es ist vorteilhaft, die Abwärme des Auspuffrohres/Verbrennungskraftmaschine zur Erwärmung des Membranmodules zu nutzen. Hierbei ist das Modul mit einem Hitzesensor ausgestattet, der das überhitzen der Membran verhindert indem er mit einer Elektrik/Hydraulik/Pneumatik das Modul zum Abkühlen von dem Abgasrohr wegbewegt. Der Luftverteiler (V.2) regelt mit Hilfe von Sauerstoffsensoren und Ventilen (für Permeat und Retentatstrom) die Sauerstoffkonzentration und leitet diesen Strom entweder direkt in den Ansaugtrakt, oder komplett oder teilweise zu dem Flüssiggaskompressor.
Der Flüssiggaskompressor (4.) kann wie der Kompressor (1.A) elektrisch und/oder mechanisch über ein Ketten- oder Riemensystem, welches mit einem Teil des Antriebsstranges oder Getriebes verbunden ist, angetrieben werden. Hierbei wird die Kompressordrehzahl über ein CVT-Getriebe (5.1) reguliert/optimiert (kann auch ein elektronisch geregeltes CVT-Getriebe sein). Das in dem Tank gespeicherte Gas kann dann in den Ansaugtrakt oder direkt vor/in die Brennkammern eingespritzt werden. Hierbei kann auch jede Brennkammer einzeln angesteuert werden, um die thermische Belastung zu reduzieren (es müssen also nicht immer alle Brennkammern mit Lachgas versorgt werden).
Darüber hinaus kann das Lachgas auch mit Umgebungsluft oder Stickstoff (Retentat) verdünnt werden, um die Leistungssteigerung und die thermische Belastung zu verringern.
Zusätzlich wird ein Wassereinspritzsystem empfohlen. Dieses spritzt Wasser (oder ein Wasser-/Alkohogemisch) in den Ansaugtrakt oder vor/in die Brennkammer. Dieses kühlt den Motor von innen und wirkt einer zu mageren Verbrennung entgegen.
Um einem Motorschaden vorzubeugen, ist es unerlässlich, die Motor- und Abgastemperatur zu kontrollieren. Ein Klopfsensor und eine Lambdasonde sind zu empfehlen, aber nicht unbedingt notwendig.
Literaturverzeichnis:

www.HITK.de > E-Mail-/Telephonkontakt
www.GKSS.de > E-Mail-/Telephonkontakt
www.Inmatik.de > Telephonkontakt
http://www.pca-gmbh.com/tutorial/itms/filter.htm

Claims

System zur Leistungssteigerung von Verbrennungskraftmaschinen, die durch eine Mischung aus Brennstoff und Sauerstoff angetrieben werden, durch die Zufuhr von sauerstoffangereicherter Luft, dadurch gekennzeichnet, dass die durch eine druckbetriebene Membran (2.) produzierte sauerstoffangereicherte Luft der Verbrennungskraftmaschine zusätzlich zu der Umgebungsluft zugeführt wird und/oder durch den Luftverteiler (V.2) an den Flüssiggaskompressor geleitet wird, welcher die sauerstoffangereicherte Luft ansaugt und in einen Tank (4.1) komprimiert.
Druckerzeuger nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckerzeuger entweder ein Kompressor (1.A) ist oder ein spezielles Luftstromleitsystem (1.B), wobei beide Druckerzeuger parallel oder auch nur eines der Druckerzeugersysteme durch die Verwendung eines Y-Verteilers (V.1) mit pneumatischen Rückschlagventilen betrieben werden können.
Kompressor nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (1.A) ein Kolben- oder Schraubenkompressor sein kann und entweder elektrisch oder mechanisch über ein Ketten- oder Riemensystem bertieben werden kann, das mit einem Teil des Antriebsstranges (7.) verbunden ist und die Drehzahl des Kompressors über ein elektronisch gesteuertes CVT-Getriebe (5.2), welches mit dem Ketten- oder Riemensystem verbunden ist, reguliert.
Luftstromleitsystem (1.B) nach Patentansruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich zum Drucksensor hin verjüngt, horizontale und vertikale Klappen besitzt die hydraulisch oder elektrisch bewegt werden und das die Klappen von einem Drucksensor (p) im inneren des Luftstromleitsystems reguliert werden.
Membran nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine druckbetriebene Komposit-Membran oder eine integral-asymetrische Membran ist, bei der der Porendurchmesser so gewählt ist, dass sie Sauerstoff von Stickstoff trennen kann.
Flüssiggaskompressor (4.) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er entweder elektrisch oder mechanisch über ein Ketten- oder Riemensystem bertieben werden kann, das mit einem Teil des Antriebsstranges (7.) verbunden ist und die Drehzahl des Flüssiggaskompressors über ein elektronisch gesteuertes CVT-Getriebe (5.1), welches mit dem Ketten- oder Riemensystem verbunden ist, reguliert und die sauerstoffangereicherte Luft ansaugen und verflüssigen kann.
Tank (4.1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einem elektronisch oder mechanisch geregeltem Einspritzsystem verbunden ist, welches das flüssige Gas entweder in den Ansaugtrakt (3.) oder Direkt vor/in die Brennkammer (6.) spritzt.
Y-Verteiler (V.1) mit pneumatischen Rückschlagventilen nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Druckerzeuger und das Y-Verteilerstück pneumatische Rückschlagventile instaliert werden, so dass beide Systeme die Membran ohne Druckverlust mit Druckluft versorgen können.
Luftverteiler (V.2) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er das durch die Membran produzierte Permeat (Sauerstoff) und Retentat (Stickstoff), mit Hilfe von Sauerstoffsensoren und Ventilen, mischt und dann der Verbrennungskraftmaschine und/oder dem Flüssiggaskompressor zuführt.